Onderwerpen:
- Inleiding
- Overzicht van het HV-systeem
- Werking van de converter
- Boost converter
Inleiding:
In hybride- en volledig elektrische voertuigen vinden we converters. De converter zet een hoge gelijkspanning om in een lage gelijkspanning. We noemen dit component dan ook een DC-DC-converter. De hoogspanning vanuit de HV-batterij van 200 tot 600 volt (afhankelijk van het voertuig) wordt in de converter omgezet in 14 volt gelijkspanning voor de boordaccu. De elektrische componenten in het interieur en exterieur (denk aan de verlichting, radio, deursloten, elektrische raammotoren etc). worden door deze accu van spanning en stroom voorzien.
De converter is als eigen hoogvoltageonderdeel in het voertuig ingebouwd. Aan het oranje kunststof kapje is de aansluiting voor de hoogspanningskabel te herkennen.
In de converter bevinden zich twee spoelen met daartussen een weekijzeren kern. Door de spoelen vloeit een hoge stroomsterkte. Vanwege de warmteontwikkeling is de converter aangesloten op het koelsysteem. De circulerende koelvloeistof neemt de warmte op en voert het af naar de radiateur.
Overzicht van het HV-systeem:
De hoogspanning vanuit de HV-accu wordt via hoogspanningskabels naar de inverter geleidt. In de inverter vindt de omzetting van DC naar AC plaats (de spanning inverteert van gelijkspanning naar wisselspanning). De HV-elektromotor (synchroon of asynchroon) wordt met deze wisselspanning in beweging gezet.
Ook voedt de HV-accu de DC-DC-converter welke de hoogspanning omzet naar een boordspanning van 12 tot 14 volt.
In de volgende afbeelding zijn de componenten van het HV-systeem schematisch weergegeven.
Werking van de converter:
De converter zit tussen de HV-accu en de 12 volt boordaccu gemonteerd. In de volgende afbeelding zijn de componenten van links naar rechts getoond:
- 12 volt boordaccu;
- condensator (elco);
- ontstoringsspoel (om hoog frequente pieken te filteren);
- dioden (gelijkrichters);
- transformator met galvanisch gescheiden spoelen;
- H-brug met vier transistoren;
- HV-accu
De overdracht van hoogspanning naar 14 volt vindt plaats door middel van inductie van spoelen. De verbinding tussen het laag- en hoogspanninggsysteem is galvanisch gescheiden: dat betekent dat er geen geleidende verbinding is tussen beide systemen.
De ingaande spoel (N2, HV-zijde) verzorgt een wisselend magnetisch veld in de weekijzeren kern. De uitgaande spoel (N1, 14-volt zijde) bevindt zich in een wisselend magnetisch veld. Hierin wordt spanning opgewekt.
De ECU van het HV-systeem brengt de transistoren T2 en T3 in geleiding (zie de volgende afbeelding). Daarmee verbindt transistor T2 de plus van de HV-accu met de onderzijde van de primaire spoel. De stroom verlaat de bovenzijde via de spoel en stroomt via transistor T3 terug naar de min van de HV-accu.
De primaire stroomsterkte veroorzaakt een magnetisch veld in de transformator, waarmee in de secundaire spoel een spanning wordt opgewekt. Het opgewekte magnetisch veld en daarmee ook de spanning zijn in de secundaire spoel lager dan in de primaire spoel. De linker accu en condensator worden geladen met een gelijkspanning van rond de 14,4 volt.
De transformator werkt alleen met wisselspanningen. Omdat accu’s uitsluitend een gelijkspanning leveren, vindt door middel van het in- en uitschakelen van transistoren een wisselend magnetisch veld plaats.
Om die reden schakelen de transistoren T2 en T3 uit, waarna T1 en T4 direct inschakelen. De stroom in de primaire spoel loopt nu in de tegengestelde richting (van boven naar beneden). Daardoor wordt een tegengesteld magnetisch veld opgewekt in de transformator en dus ook in tegengestelde spanning in de secundaire spoel. Ook in deze situatie bedraagt de laadspanning van de accu en de condensator rond de 14,4 volt.
Voorbeeld:
- AC-in: 201,6 volt;
- N1: 210 windingen, R = 27,095 Ω ;
- N2: 15 windingen, R = 0,138 Ω;
- Wikkelverhouding (i) = N1 : N2 = 210:15 = 14;
- AC-uit = AC-in : i = 201,6 : 14 = 14,4 volt;
- P in = U^2 : R = 201,6^2 : 27,095 = 1500 Watt;
- P uit (verliesvrij) = U^2 : R = 14,4 : 0,138 = 1500 Watt;
- Rendement = 90%;
- P uit (werkelijk) = P uit * rendement = 1500 * 0,9 = 1350 Watt;
- Stroomsterkte accu (I) = P : U = 1350 : 14,4 = 93,75 Ampère.
Boost converter:
De onderstaande afbeelding toont een systeemoverzicht met o.a. de boost converter en de inverter van een Toyota Prius.
De batterijspanning van 201,6 volt wordt in de boost converter omgezet in een dito gelijkspanning van 650 volt. Er wordt gebruik gemaakt van een spoel en een tweetal IGBT’s (transistoren) om een inductiespanning op te wekken. De reactorspoel is in de boost converter afgebeeld tussen de condensator (links) en de IGBT’s T1 en T2. Door continu de transistoren wel / niet aan te sturen, wordt in de reactorspoel een inductiespanning opgewekt waardoor de condensator oplaadt.
De diode zorgt ervoor dat de laadspanning steeds hoger wordt totdat de spanning de 650 volt bereikt.
Gerelateerde pagina’s:
- Elektrische aandrijving (overzicht);
- HV-accu;
- Inverter.
